性能测试必备知识(10)- Linux 是怎么管理内存的?
做性能测试的必备知识系列,可以看下面链接的文章哦
https://www.cnblogs.com/poloyy/category/1806772.html
内存映射
日常生活常说的内存是什么
- 比方说,我的笔记本电脑内存就是 8GB 的
- 这个内存其实是物理内存
- 物理内存也称为主存,大多数计算机用的主存都是动态随机访问内存(DRAM)
灵魂拷问
只有内核才可以直接访问物理内存,那么进程要访问内存时,怎么办?
虚拟地址空间
- 为了解决上面的问题,Linux 内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间,并且这个地址空间是连续的
- 这样,进程就可以很方便地访问内存,更确切地说是访问虚拟内存
内部
- 虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分
- 不同字长(单个 CPU 指令可以处理数据的最大长度)的处理器,地址空间的范围也不同
最常见的 32 位和64 位系统的虚拟地址空间
- 32 位系统的内核空间占用 1G,位于最高处,剩下的 3G 是用户空间
- 而 64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T,分别占据整个内存空间的最高和最低处,剩下的中间部分是未定义的
进程的用户态和内核态
- 进程在用户态时,只能访问用户空间内存
- 只有进入内核态后,才可以访问内核空间内存
- 虽然每个进程的地址空间都包含了内核空间,但这些内核空间,其实关联的都是相同的物理内存
- 这样,进程切换到内核态后,就可以很方便地访问内核空间内存
为什么会有内存映射
- 既然每个进程都有一个这么大的地址空间,那么所有进程的虚拟内存加起来,自然要比实际的物理内存大得多
- 所以,并不是所有的虚拟内存都会分配物理内存,只有那些实际使用的虚拟内存才分配物理内存
- 并且分配后的物理内存,是通过内存映射来管理的
什么是内存映射
- 内存映射,其实就是将虚拟内存地址映射到物理内存地址
- 为了完成内存映射,内核为每个进程都维护了一张页表,记录虚拟地址与物理地址的映射关系
- 页表实际上存储在 CPU 的内存管理单元 MMU 中
- 正常情况下,处理器就可以直接通过硬件,找出要访问的内存
- 在页表的映射下,进程就可以通过虚拟地址来访问物理内存了
灵魂拷问
么具体到 一个 Linux 进程中,这些内存又是怎么使用的呢?
虚拟内存空间分布
回答上面的问题,需要进一步了解虚拟内存空间的分布情况
用户空间内存,其实又被分成了多个不同的段
这是 32 位系统,用户空间内存,从低到高分别是五种不同的内存段
- 只读段:包括代码和常量等
- 数据段:包括全局变量等
- 堆:包括动态分配的内存,从低地址开始向上增长
- 文件映射段:包括动态库、共享内存等,从高地址开始向下增长
- 栈:包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的,一般是 8 MB
在这五个内存段中,堆和文件映射段的内存是动态分配的
比如说,使用 C 标准库的 malloc() 或者 mmap() ,就可以分别在堆和文件映射段动态分配内存
其实 64 位系统的内存分布也类似,只不过内存空间要大得多
灵魂拷问
内存究竟是怎么分配的呢?
内存分配与回收
分配
malloc() 是 C 标准库提供的内存分配函数,对应到系统调用上,有两种实现方式,即 brk() 和 mmap()
brk()
- 对小块内存(小于 128K),C 标准库使用 brk() 来分配
- 也就是通过移动堆顶的位置来分配内存
- 这些内存释放后并不会立刻归还系统,而是被缓存起来,这样就可以重复使用
- 优点:缓存可以减少缺页异常的发生,提高内存访问效率
- 缺点:由于这些内存没有归还系统,在内存工作繁忙时,频繁的内存分配和释放会造成内存碎片
mmap()
- 大块内存(大于 128K),则直接使用内存映射 mmap() 来分配,也就是在文件映射段找一块空闲内存分配出去
- 缺点:分配的内存,会在释放时直接归还系统,所以每次 mmap 都会发生缺页异常;在内存工作繁忙时,频繁的内存分配会导致大量的缺页异常,使内核的管理负担增大, 这也是 malloc 只对大块内存使用 mmap 的原因
总结
- 当这两种调用发生后,其实并没有真正分配内存
- 这些内存,都只在首次访问时才分配,也就是通过缺页异常进入内核中,再由内核来分配内存
Linux 使用伙伴系统来管理内存分配
- 这些内存在 MMU 中以页为单位进行管理,伙伴系统也一样,以页为单位来管理内存,并且会通过相邻页的合并,减少内存碎片化
- 在用户空间,malloc 通过 分配的内存,在释放时并不立即归还系统,而是缓存起来重复利用
brk()
- 在内核空间,Linux 则通过 slab 分配器来管理小内存
- 你可以把 slab 看成构建在伙伴系统上的一个缓存,主要作用就是分配并释放内核中的小对象
释放内存
- 对内存来说,如果只分配而不释放,就会造成内存泄露,甚至会耗尽系统内存
- 所以,在应用程序用完内存后,还需要调用 或 unmap() ,来释放这些不用的内存
free()
回收
系统不会任由某个进程用完所有内存,在发现内存紧张时,系统就会通过一系列机制来回收内存
- 回收缓存:比如使用 LRU(Least Recently Used)算法,回收最近使用最少的内存页面
- 回收不常访问的内存:把不常用的内存通过交换分区直接写到磁盘中
- 杀死进程:内存紧张时系统还会通过 OOM(Out of Memory),直接杀掉占用大量内存的进程
回收不常访问的内存
- 会用到交换分区(以下简称 Swap)
- Swap 其实就是把一块磁盘空间当成内存来用
- 它可以把进程暂时不用的数据存储到磁盘中(这个过程称为换出),当进程访问这些内存时,再从磁盘读取这些数据到内存中(这个过程称为换入)
- 通常只在内存不足时, 才会发生 Swap 交换
- 优点:Swap 把系统的可用内存变大了
- 缺点:由于磁盘读写的速度远比内存慢,所以 Swap 会导致严重的内存性能问题
OOM
是内核的一种保护机制
它监控进程的内存使用情况,并且使用 oom_score 为每个进程的内存使用情况进行评分:
- 一个进程消耗的内存越大,oom_score 就越大,越容易被 OOM 杀死,从而保护系统
- 一个进程运行占用的 CPU 越多,oom_score 就越小
可以通过 /proc 文件系统,手动设置进程的 oom_adj ,从而调整进程的 oom_score
oom_adj 的范围是 [-17, 15] ,数值越大,表示进程越容易被 OOM 杀死;数值越小,表示进程越不容易被 OOM 杀死,其中 -17 表示禁止 OOM
调整 oom_score 的栗子
把 sshd 进程的 oom_adj 调小为 -16,这样, sshd 进程就 不容易被 OOM 杀死
echo -16 > /proc/$(pidof sshd)/oom_adj
如何查看内存使用情况
free
显示的是整个系统的内存使用情况
https://www.cnblogs.com/poloyy/p/13503203.html
top
可以查看系统内存使用情况,也可以看进程的,具体可以看下面的博客哦
https://www.cnblogs.com/poloyy/p/12552041.html
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